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IMPORTANCIA

DEL CURADO

EN LA CALIDAD DEL HORMIGÓN DE RECUBRIMIENTO.

PARTE I:

ANÁLISIS TEÓRICO

DE LOS EFECTOS DEL SECADO PREMATURO LUIS FERNÁNDEZ LUCO DR. INGENIERO CIVIL INSTITUTO ESPAÑOL DEL CEMENTO Y SUS APLICACIONES (IECA)

La condición de clima cálido, con alto porcentaje de asoleamiento y baja humedad relativa ambiente son propicias para inducir un secado prematuro del hormigón, a partir de que su superficie queda expuesta. Un curado eficaz es esencial para evitar o reducir el secado prematuro y permitir la evolución adecuada de la hidratación del cemento, de manera de alcanzar las propiedades deseables en el hormigón endurecido. En este trabajo, que se presenta en dos partes, se muestra que un curado defectuoso puede comprometer más la calidad del hormigón de recubrimiento, reduciendo su resistencia al desgaste y su durabilidad, mientras que su efecto sobre las propiedades mecánicas es menos significativo. La primera parte comprende un análisis básico de los fenómenos de hidratación y secado y una revisión de las previsiones existentes en la Instrucción EHE-08 relativas al curado, con un análisis crítico del empleo de la resistencia a compresión como indicador del curado deficiente. La segunda parte se dedica a la descripción de distintos métodos capaces de identificar y prevenir el curado defectuoso, de aplicación tanto en condiciones de laboratorio como de obra.

Marzo 2009 / Nº 925 ISSN: 0008-8919. PP.: 38-47

1. Introducción

En términos prácticos, se debe controlar la temperatura y evitar o reducir las pérdidas de agua del hormigón en el

Los avances científico-tecnológicos asociados con las construcciones de hormigón armado muestran un progreso

período comprendido entre su colocación y los 14 días1, aproximadamente.

significativo en los últimos años, con el desarrollo de nuevas tipologías de hormigón, como los hormigones autocompac-

En lo que respecta a la importancia del curado, el informe

tantes, los hormigones de alta resistencia y ultra-alta resisten-

308R-2 del American Concrete Institute y la Portland Cement

cia. El desarrollo de nuevos aditivos, y el empleo de fibras de

Association coinciden al indicar que “el curado tiene una

refuerzo permiten alcanzar prestaciones capaces de satisfacer

influencia significativa sobre las propiedades del hormigón

los requisitos más ambiciosos.

endurecido, tanto en el interior del hormigón como en su superficie, tales como la resistencia, permeabilidad, resis-

Sin embargo, existen dificultades para mejorar las prácticas

tencia a la abrasión, estabilidad de volumen y resistencia

constructivas en condiciones reales de obra, dificultad que

al hielo-deshielo y sustancias anticongelantes. El desarrollo

se ve acentuada porque la disponibilidad de mano de obra

de resistencia superficial puede reducirse significativamente

cualificada es cada vez más escasa.

cuando el curado es defectuoso.”

Uno de los factores clave de la ejecución de estructuras de hormigón es el curado, que tiene por objeto brindar al hor-

3. Hidratación del cemento, revisión

migón las condiciones adecuadas de humedad y temperatura para el desarrollo de sus propiedades “potenciales”, acordes

El cemento portland se emplea mezclado con agua, for-

con su composición y características, hecho reconocido por

mando lo que se denomina “pasta de cemento”. El contacto

los Reglamentos y las recomendaciones de manera universal

con agua induce una serie de cambios fisico-químicos en el

pero que no se refleja adecuadamente en las prácticas cons-

cemento, que reciben el nombre genérico de “hidratación”.

tructivas habituales. Según A. Neville [1], las propiedades físico-mecánicas y El clima en la Península Ibérica, caracterizado por altas

reológicas de la pasta de cemento hidratada y del hormigón no

temperaturas y baja humedad relativa, induce condiciones

dependen tanto de la composición química del cemento hidra-

que favorecen el secado prematuro. En estas condiciones

tado, como de la estructura física de los productos de hidrata-

de exposición inicial, la importancia del curado es crítica y se

ción, esto es, los cambios en la microestructura de la pasta de

deben extremar los esfuerzos para asegurar procedimientos

cemento conforme avanzan las reacciones de hidratación.

eficientes de curado. En estado fresco, es posible suponer a la pasta de cemento constituida por partículas de cemento anhidro suspendidas

2. Curado, definición y concepto

en agua. A medida que progresa la hidratación, los diferentes productos formados llenan gradualmente los espacios entre los

Aunque existen leves variantes, para su aplicación en la

granos de cemento, provocando un aumento de la concentra-

construcción, el curado puede definirse como el conjunto

ción de los sólidos hasta que el libre movimiento de las partícu-

de acciones cuyo objetivo es proveer las condiciones ade-

las se restringe, y la pasta fragua para convertirse en un sólido. A

cuadas para la hidratación del cemento en hormigones y

partir de ese momento, comienza la etapa de endurecimiento,

morteros. Un curado eficiente es vital para la calidad del

que se caracteriza por la densificación progresiva del material,

hormigón.

ya que el volumen ocupado por los productos de hidratación es

1 Aun cuando las propiedades del hormigón se refieren usualmente a la edad de 28 días, para la mayoría de las estructuras resulta poco práctico prolongar el curado más allá de los 14 días.

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aproximadamente el doble del volumen del cemento anhidro,

4. Consecuencias del secado prematuro

según se postula en el modelo de Powers [2]. Cuando las condiciones no son las adecuadas para la La evolución de las propiedades de la pasta de cemento endurecida, y por lo tanto, la de hormigones y morteros de

evolución de la hidratación, ésta primero se ralentiza y luego se interrumpe.

cemento portland, depende fuertemente de la proporción relativa de las fases sólidas y de la estructura de poros, pro-

En la práctica habitual de las construcciones con hormi-

porciones que dependen de la concentración inicial de la

gón, siempre se intenta reducir el tiempo de la construcción;

suspensión de cemento en agua y el avance de la hidratación

una ralentización de las reacciones de hidratación implicará

del cemento. Mientras más densa la suspensión inicial y más

tener que prolongar los plazos necesarios para continuar o

haya avanzado la hidratación, más compacta será la estructura

librar la estructura al servicio mientras que su interrupción

del material endurecido. La Figura 1 ilustra la evolución de

tiene efectos más severos.

los productos de hidratación (sólidos) y la de la porosidad conforme avanza el tiempo (la hidratación).

Es importante aclarar que, en situaciones reales, no se alcanza la hidratación completa del cemento y es posible

Figura 1.- Esquema de la hidratación del cemento [3].

observar partículas anhidras en hormigones que han estado expuestos durante muchos años a la acción de la lluvia. Cuando la hidratación se detiene por falta de agua libre, las consecuencias pueden extrapolarse del modelo de Powers de la hidratación. Las características de la microestructura corresponden al avance obtenido para las reacciones de hidratación y, por lo tanto, la porosidad capilar y la conectividad de poros son mayores que las que se habrían alcanzado luego de completar las reacciones de hidratación. Por añadidura, la reducción del agua libre induce fenómenos de retracción que podrían agravar la situación. La Figura 2 muestra que el volumen relativo de poros capilares de una pasta de relación a/c = 0,65 curada hasta la edad de 28 días es la misma que la que se obtiene en una

Para la valoración cuantitativa de los cambios volumétri-

pasta de relación a/c = 0,50 curada menos de 11 días.

cos puede emplearse el modelo de Powers-Brownyard [4], quien propuso a mediados del siglo pasado un modelo de

Trasladando esto al caso de un hormigón que, de

hidratación que, con algunas adaptaciones debido a los cam-

acuerdo con su composición sería capaz de satisfacer los

bios en las características de los cementos, sigue vigente.

requisitos de durabilidad y resistencia (contenido mínimo de cemento, relación a/c máxima), la interrupción temprana

De acuerdo con este modelo, el volumen de poros capilares

de la hidratación dejaría mayor porosidad que la prevista y

se va reduciendo a medida que avanza la hidratación del cemen-

equivaldría a haber empleado una relación a/c superior a la

to y es tanto menor cuanto menor sea la relación agua/cemento.

necesaria para satisfacer ambos requisitos, es decir, aunque

Se justifican así dos conceptos esenciales en la tecnología de

las proporciones en el momento de la elaboración fuesen

hormigones y morteros: la resistencia y durabilidad (asociadas

adecuadas, no alcanzaría las prestaciones esperables a causa

ambas con una baja porosidad) se obtienen con relaciones

del secado prematuro.

agua/cemento bajas y con un curado eficiente.

40

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Figura 2.- Volumen porcentual ocupado por la porosidad capilar en pastas de cemento, como función del grado de

Volumen relativo de poros capilares

hidratación α.

0,8 0,7

a/c = 0,65

0,6

a/c = 0,50

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

10

20

30

40

50

Edad (d’as)

Cualquiera que sea el motivo de la interrupción de la evo-

El transporte de humedad dentro del material puede ocurrir

lución normal de la hidratación, esta situación tiene efectos

por uno o más de los mecanismos de transferencia de masa.

sobre la evolución de las propiedades a escala macroscópica,

Hedenblad (1993) [5] supone al flujo de humedad en un

en particular, la resistencia y la durabilidad.

material poroso como la combinación de tres tipos de flujo diferentes que se conjugan de manera compleja. Estos son la

Para identificar cuál de ellas se ve más afectada por un

difusión de vapor que tiene lugar en los poros, el flujo de agua

secado prematuro (curado ineficaz), es prudente analizar

adsorbida en las paredes de los poros y el flujo capilar que ocu-

brevemente los mecanismos de secado, su cinética y la distri-

rren en los poros pequeños (capilares), según se esquematiza

bución de la zona afectada.

en la Figura 3. Estos mecanismos se asimilan a un proceso puramente difu-

5. Mecanismos de secado: cinética y zona involucrada

sivo donde la causa del movimiento es un gradiente en el contenido de humedad, y puede expresarse de la siguiente forma:

Desde un punto de vista práctico, sólo interesa el período

(1)

comprendido entre la colocación y las primeras semanas de edad del hormigón. Durante el mismo, la transferencia de

donde:

humedad y los procesos de hidratación son fenómenos no sólo

Dw = coeficiente de difusión del vapor de agua con res-

simultáneos sino acoplados. A medida que avanza la hidratación,

pecto al contenido de humedad w expresado como masa

se va consumiendo el agua libre, se reduce la porosidad y la

por volumen de material seco

conectividad de los poros, lo que trae como consecuencia que la

w = humedad (kg/m3)

capacidad de transporte de agua disminuye de manera continua. Es decir, a medida que progresa la hidratación se hace más difícil

Resulta evidente que la transferencia de masa (agua) ocu-

secar el hormigón y, por lo tanto, el ritmo de secado disminuye.

rrirá cuando subsistan condiciones de desequilibrio y cesará

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41

Figura 3.- Transporte combinado de humedad como la combinación serie de transferencia de vapor de agua y agua, según Andersson (1985) [6].

cuando se alcance el equilibrio dinámico entre el material en

a un material bajo secado unidimensional, con coeficiente de

cuestión y el medio ambiente.

difusión constante, y para distintos tiempos crecientes. Los perfiles se han obtenido mediante la ecuación (2) que representa

En condiciones reales, el mecanismo de transporte es combinado y la “difusividad” depende de la humedad relativa

una solución posible a la ecuación diferencial que representa el proceso de secado en estas condiciones ideales.

interna, disminuyendo D (es decir, la capacidad de transporte (2)

y la velocidad de secado) a medida que el material se seca.

Identificación de la zona de influencia del secado prematuro

siendo: He : Humedad relativa exterior (aire) Hi : Humedad interna inicial (saturación)

Aun teniendo en cuenta las limitaciones que tiene un modelo difusivo ideal para representar el mecanismo de secado, se

El eje de abscisas muestra las distancias desde la superfi-

dibuja en la Figura 4 los perfiles de humedad correspondientes

cie expuesta de la pieza hacia el interior, de manera adimen-

Figura 4.- Perfiles de humedad correspondientes a un material ideal con secado unidimensional con coeficiente de difusión Dw constante. 100

90

HR (%)

80

70

t=2 t=4 t=8 t = 16 D = 0,01

60

50

40 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

Distancia desde el eje (X/a)

42

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Figura 5.- Perfiles de humedad correspondientes a un material ideal con secado unidimensional, para un mismo instante t y diferentes coeficientes de difusión.

100

Contenido de humedad (%)

90

80

70 t = 4; D = 0,001 t = 4; D = 0,01

60

50

40

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

Distancia desde el eje (X/a)

sional, a partir de la relación entre la distancia a la superficie

Figura 6.- Mapa de humedades relativas (saturación = 1)

(x) y el semiancho (a) del elemento. En el eje de ordenadas

para una muestra cilíndrica con secado unidi-

se representa el contenido de humedad y las condiciones

mensional (sentido radial) a la edad de 2 sema-

de borde adoptadas corresponden a una humedad relativa

nas [8].

exterior del 50% y la saturación (100%) para el instante inicial de la pieza. Las zonas expuestas del hormigón se ven más afectadas con el secado prematuro. Si se emplea este modelo para analizar, para un mismo instante de tiempo, qué ocurre para dos calidades diferentes de hormigón (distinto coeficiente de difusión), puede representarse lo que se muestra en la Figura 5, que ilustra los perfiles de humedad correspondientes a un mismo instante de tiempo para dos coeficientes de difusión que difieren en un orden de magnitud. Un análisis rápido de la Figura 5 muestra que el hormigón de mejor calidad (menor coeficiente de difusión D) seca más lentamente que el hormigón de peor calidad, pero los gradientes de los perfiles son mayores para el primero, lo que en la práctica supone un mayor riesgo de fisuración a causa del secado diferencial. Las conclusiones obtenidas a partir de un modelo muy

distribución de humedad en sentido radial para una probeta

sencillo son coherentes con los resultados de la aplica-

cilíndrica de hormigón, con secado unidimensional, calcula-

ción de modelos numérico-experimentales, como los que

do para un hormigón de relación agua/cemento = 0,55 y a

muestra Baroghel-Bouny, V [7]. En la Figura 6 se muestra la

la edad de 2 semanas, según Guilleron et al [8].

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6. La resistencia a compresión como indicador del curado deficiente

Figura 7.- Solera de hormigón en proceso de curado con membrana de polietileno.

La Instrucción para el Hormigón Estructural (EHE-08) [9] proporciona en los comentarios al Art. 71.6, indicaciones para estimar la duración mínima del curado, en función de la agresividad ambiental en servicio, las condiciones de temperatura, condiciones de exposición de la estructura durante el curado y tipo de cemento, de acuerdo con la ecuación (3). D = K.L.D0 + D1

(3)

donde: D: duración mínima de curado, en días. K: coeficiente de ponderación ambiental. L: coeficiente de ponderación térmica. D0: parámetro básico de curado.

Figura 8.- Solera de hormigón curada mediante riego periódico.

D1: parámetro dependiente del tipo de cemento. De una manera abreviada, se observa que el tiempo será mayor cuanto más lenta sea la evolución de propiedades del cemento empleado, cuanto más severas sean las condiciones ambientales durante el curado, cuanto más baja sea la temperatura del hormigón y cuanto mayor sea la exigencia de la condición de exposición ambiental de la estructura durante su vida útil (durabilidad). La efectividad de los métodos empleados para limitar o impedir la pérdida de agua puede ser variable y, por lo tanto, es muy importante valorar su eficiencia. En condiciones de curado estándar, donde se impide el secado de la muestra, la resistencia del hormigón crece en

donde se aprecia el efecto del tipo de curado aplicado sobre la resistencia mecánica.

forma continua y su evolución depende básicamente del tipo de cemento; los cementos con adición ofrecen menos

El análisis de la Figura 9 debe hacerse con cuidado, por-

resistencia a edades tempranas pero el aumento de resisten-

que los cementos de esa época tenían una evolución mucho

cia a partir de los 28 días puede ser significativo. En líneas

más lenta que los actuales, que a la edad de 7 días son

generales, mientras más rápida es la ganancia de resistencia

capaces de desarrollar aproximadamente el 80% de la resis-

(altos contenidos de cemento, relación agua/cemento baja,

tencia que alcanzarían a 28 días. Aun así, puede concluirse

cementos rápidos (R)), debe esperarse menor evolución a

que, con excepción del hormigón siempre expuesto al aire de

edades tardías.

laboratorio, todas las otras condiciones de curado permiten alcanzar prácticamente la misma resistencia a la edad de 28

En la Figura 9 se muestran curvas típicas de evolución de resistencia, según Gonnerman y Schuman (1928) [10],

44

días (edad de diseño), pero su valor “final” (1 año en la Figura 9) es significativamente distinto.

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Figura 9.- Esquema de la evolución de la resistencia a la compresión para distintas condiciones de curado - Gonnerman y Schuman, [10] (1928).

Resistencia a compresi—n (MPa)

60

Curado h œmedo continuo

50

28 d curado h œmedo, luego al aire ( lab) 7 d curado h œmedo, luego al aire ( lab)

40

Al aire ( lab ) todo el tiempo

30 20 10

7 28

91

Edad (d ’as)

Estudios más recientes, como los informados por Hasni et al, [11] 1994 sobre los resultados de resistencia a la compresión y

365

nes de curado estándar, se ilustran en la Figura 10. Se observa que, en ningún caso, la pérdida relativa supera el 30%.

flexión de muestras estándar de laboratorio sometidas a la acción de aire caliente (secado severo) y a un secado moderado en

De la Figura 10 también es posible observar que el hormi-

condiciones de laboratorio, relativas a las obtenidas en condicio-

gón de mayor calidad (HAP) presenta menor pérdida relativa

Figura 10.- Resistencia a compresión y flexión, relativas al curado estándar, para distintas condiciones de secado, adaptadas de Hasni et al [11].

Resistencia relativa al curado est‡ndar

H.A.P. Referencia H.A.P. con H.S.

1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Laboratorio

Aire caliente

Compresi—n

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Laboratorio

Aire caliente

Flexi—n

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que el hormigón de referencia. El hormigón con adiciones

edad de 28 días sólo aporta una leve reducción adicional.

(humo de sílice) ofrece una sensibilidad equivalente al hor-

Asimismo, se indica que los beneficios de un incremento

migón de referencia, en lo que respecta a efectos del secado

de curado son menores para los hormigones de menor

prematuro.

relación agua/cemento.

Esta situación se explica por dos motivos: a) Los cemen-

Güneyisi, E. et al. [14] destacan que un curado inicial

tos han evolucionado en su diseño (composición, finura) de

pobre se traduce en una resistencia a la penetración de clo-

manera de asegurar una evolución rápida de resistencia y b)

ruros marcadamente inferior, tanto para cementos especiales

el secado del hormigón es un proceso lento y sólo las zonas

como cementos con adiciones, aunque estos últimos se

expuestas de los elementos estructurales pueden verse afec-

muestran todavía más susceptibles.

tadas en condiciones normales. Bai, J. et al. [15] analizan el efecto del curado sobre Existe un tercer aspecto, que se relaciona con la

la absorción capilar y la carbonatación de hormigones

influencia del contenido de humedad sobre la resistencia:

preparados con adición de metakaolin y cenizas volantes,

los hormigones secos ofrecen mayor resistencia a com-

adoptando como referencia a un hormigón preparado

presión que los hormigones saturados, pudiendo alcanzar

con cemento puro. Concluyen que aunque el curado al

diferencias de hasta el 20-25%. [1][12] En ocasiones, la

aire afecta a todas las propiedades medidas: resistencia a

determinación de la resistencia a compresión de muestras

compresión, velocidad de succión capilar y carbonatación,

parcialmente secas puede enmascarar posibles defectos

el efecto es diferente en cada caso y depende también del

de curado.

tipo y cantidad de adición. El coeficiente de succión capilar es más sensible al curado que la resistencia mecánica, con

Influencia del secado prematuro sobre propiedades de transporte (durabilidad)

excepción de los hormigones con metakaolin, de elevada resistencia temprana. Esta observación no coincide con lo informado por Martys, N. S. et al, [16], quienes informan

En principio, la interrupción prematura de las reacciones de hidratación conduce a una mayor porosidad, en poros de

haber encontrado que la velocidad de succión capilar es poco sensible al curado.

mayor tamaño y también es posible que no llegue a alcanzarse la segmentación de la red capilar. Estos factores son deter-

Balayssac et al. [17](1995) estudiaron el efecto del curado

minantes de la penetrabilidad del hormigón y, por lo tanto, es

húmedo sobre la resistencia a la carbonatación. Tal como es

razonable esperar que el secado prematuro afecte de manera

de esperar, encontraron que la profundidad de carbonatación,

significativa las propiedades de transporte.

a cualquier edad, se reduce cuando se emplea una relación a/c menor o cuando se prolonga el curado. Sin embargo,

Al respecto, existen abundantes antecedentes relativos a

destacan que cuando el período de curado se lleva de 3 días

la influencia del secado prematuro sobre distintos parámetros

a 28 días, los beneficios que se alcanzan son menores, tanto

de transporte vinculados con la durabilidad. Entre los más

menores cuanto menor es la relación a/c empleada.

comunes, la succión capilar, la permeabilidad a los gases, el ingreso de cloruros y la carbonatación.

Todos estos ejemplos confirman que, efectivamente, el secado prematuro conduce a incrementos de la penetrabi-

Una revisión de resultados efectuada por Meeks, K.W.

lidad del hormigón y las capas más afectadas por el secado

[13] destaca que el curado inicial es crítico para reducir la

prematuro son las expuestas. Esta situación es relevante por-

permeabilidad de la zona de exterior del hormigón. Para el

que precisamente el hormigón de recubrimiento debe aportar

caso de hormigones de cemento portland, el incremento

el efecto físico de barrera para impedir o retardar el ingreso

de curado de 1 a 3 días, reduce la permeabilidad al oxí-

de agresivos.

geno por un factor de 5, pero prolongar el curado hasta la

46

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7. Conclusiones

[7] Baroghel-Bouny, V., Mainguy, M., Coussy, O. “Isothermal drying process in weakly permeable cementitious mate-

•

La resistencia a la compresión valorada sobre probetas

rials – Assessment of water permeability”, Proceedings of

expuestas y/o testigos calados de la estructura no es

the International Conference on Ion and Mass Transport

un buen indicador de secado prematuro.

in Cement-based Materials – ISSN 1042-1122, ISBN 1-57498-113-7, Toronto, pp. 59-80, 1999.

•

Los parámetros asociados con la capacidad de trans-

[8] Guilleron, M., Regue, C., Guilleron, M., Sanchez, P.,

porte presentan mayor sensibilidad que la resisten-

Sonzogni, V. “Análisis numérico de las tensiones produ-

cia mecánica al efecto del secado prematuro del

cidas por el secado del hormigón”, Mecánica computa-

hormigón. En particular, debe destacarse la notable

cional, Vol. XXIII, Ed. Buscaglia, G., Dari, E., Zamonsky,

influencia del secado prematuro sobre la velocidad de

O., Bariloche, Argentina, Noviembre, 2004.

carbonatación, aunque también es buena la sensibilidad del ensayo de succión capilar.

[9] EHE -08 Instrucción Española del Hormigón Estructural – Comisión Permanente del Hormigón – Aprobada por RD 1247/2008.

•

Es conveniente el desarrollo de métodos capaces de

[10] Gonnerman, H. F., Schuman, E. C. “Flexure and ten-

identificar un secado prematuro en la estructura, es

sion tests of plain concrete”, Major Series 171, 209

decir, de aplicación in situ.

and 210, Report of the Director of Research, Portland Cement Association, p. 149 a 163 (1928). [11] Hasni, L., Gallias, J. L., and Salomón, M., “Influence of

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